Учебное пособие 1265

2

Работа выполнена в Федеральном государственном военном образовательном учреждение высшего образования «Военном учебно-научном центре Военновоздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», (г. Воронеж).

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Кукарских Любовь Алексеевна

Официальные оппоненты: Алексиков Сергей Васильевич

доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений», заведующий кафедрой

Глагольев Алексей Анатольевич

кандидат технических наук, Департамент транспорта и автомобильных дорог Воронежской области, ведущий советник

Ведущая организация: Воронежский филиал Федерального государ-

ственного унитарного предприятия «Российский дорожный научно-исследовательский институт» (РОСДОРНИИ)

Защита состоится «19» мая 2016 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурностроительном университете по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября,

д. 84, корпус 2, ауд. 2226а, тел./факс: +7(473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте http://edu.vgasu.vrn.ru.

Автореферат разослан «16» марта 2016 г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие авиации способствовало совершенствованию теории и практики посадочных систем воздушных судов, сопровождающиеся повышением давления в пневматиках колес. Взлетно-посадочные операции воздушных судов (ВС) совершаются с искусственных взлетно-посадочных полос (ИВПП) летного поля, которые являются одним из наиболее важных элементов аэродрома и должны, прежде всего, соответствовать тактико-техническим характеристикам авиационной техники, так как их состояние влияет на техническое состояние и несущую способность всего аэродрома.

Возникновение в покрытиях циклических, многократно повторяющихся знакопостоянных и знакопеременных напряжений при воздействии нагрузок от взлетно-посадочных операций приводит со временем к их разрушению.

В настоящее время в основном используются бетонные аэродромные покрытия, обладающие всеми необходимыми свойствами, тем не менее их многолетняя эксплуатация показала неодназначность природы их разрушения. Так, с позиции механики, не разработана точная теория деформирования и разрушения бетона, подвергаемого многоцикловым нагружениям, учитывающая реальные физические процессы изменения внутренней структуры материала; не определены четкие критерии, позволяющие говорить о возможном наступлении полного разрушения при различных видах силового нагружения. Это связано в первую очередь со сложностью структуры бетона, представляющей многокомпонентную конгломерацию составляющих, находящихся во взаимодействии друг с другом системой микротрещин и трещин.

Большой вклад в изучение процессов разрушения бетона внесли И.И. Ахвердов, О.Я. Берг, Ю.М. Баженов, Ю.В. Зайцев, Г.Я. Почтовик, Н.В. Смирнов, Ф. Ансари, К.Н. Друкер, Т. Пауэрс, В. Рамачандра, C. Чандра.

Как было показано исследованиями, разрушение материала всегда связано с накоплением повреждений структуры бетона на этапах жизненного цикла и связано с поглощением энергии деформации и последующим выделением ее в виде трещин. Процесс накопления дефектов длителен и составляет годы, тогда как образование трещин происходит лавинообразно. Процесс появления трещин сопровождается различными физическими явлениями, так, известно, что началу процесса разрушения предшествует появление акустической эмиссии и после многократного нагружения на поверхности бетона наблюдается появление интенсивно развивающихся магистральных трещин. Это разрушение бетона может регистрироваться различными методами, которые являются весьма чувствительными к указанного рода процессам, отражающим изменение физико-механических характеристик бетона. Изменение скоростей продольных и сдвиговых звуковых и ультразвуковых волн, приводит к вариациям амплитудно-частотных свойств генерируемой акустической эмиссии. Высокая чувствительность акустических методов к процессам деградации бетона позволяет исследовать изменение его свойств при различных видах нагружения с достаточной для практических целей точностью и достоверностью.

Совокупность этих методов составляет сердцевину неразрушающего контроля

4

и среди всех методов применяема ультразвуковая импульсная методика, основанная на определении затухания и времени прохождения ультразвука в материале, а также метод акустической эмиссии и спектрального анализа сигналов.

Наиболее существенные работы в этой области, применительно к бетону, были выполнены В.А. Грешниковым, Ю.Б. Дроботом, Н.С. Кузнецовым, В.Г. Липником, М.Д. Мосесовым, Г.Я. Почтовиком, Н.Л. Темником.

Исследование разрушения бетона наряду с механическими и статическими методами позволяет представить процесс разрушения лонгитюдным во времени и базирующемся на реальном физическом явлении развития трещинообразования. Исследования прочности и долговечности бетона основанные на изучении процессов дефектообразования структуры бетона с перерастанием в разрушение и подтвердившие явление роста и развития трещин в бетонах были проведены еще в начале двадцатого века. Также было замечено, что величина модуля упругости и коэффициента Пуассона меняется под нагрузкой. В своих работах О.Я. Берг установил, что при одноосном сжатии разрушение бетонов начинается с появлением и укрупнением микротрещин. В 1952 году Р.Джонс впервые выдвинул теорию о двухстадийном разрушении бетона, используя в исследованиях ультразвуковую аппаратуру, он обнаружил значительное увеличение скорости прохождения поперечных ультразвуковых волн с ростом нагрузки. Дальнейшие исследования, выполненные в 1962 году Г.Я. Почтовиком, позволили вести речь о трехстадийном разрушении бетона при испытании образцов любой формы. Используя ультразвуковой метод, они обнаружили увеличение скорости прохождения продольных ультразвуковых волн в области начальной стадии процесса разрушения бетона. Р. Лермит, сравнивая осциллограмму акустических сигналов с зависимостями скорости прохождения ультразвуковых волн и величиной коэффициента Пуассона от напряжений сжатия, показал, что разрушению предшествует процесс накопления внутренних неоднородностей, причем звукорегистрирующая аппаратура подтверждала наличие микротрещин на уровнях недоступных для восприятия микроскопа. Ю.В. Зайцев и Г.Я. Почтовик в своих работах в период 60-х 70-х годов доказали, что процесс разрушения в бетонах начинается с момента приложения внешней нагрузки и наблюдается на субмикроуровне, а по мере накопления микротрещин подымается в микроуровень, с последующим переходом в мезоуровень. Образование трещин сопровождается выделением упругой энергии работы бетонных образцов, выделившуюся в виде акустической эмиссии.

Описание процессов разрушения возникающих при лабораторных испытаниях не позволяют достаточно надежно оценить совокупность взаимодействия формируемых в бетоне трещин с физико-механическими характеристиками материала: модулем упругости, сдвига, прочности на сжатие и растяжение и зависит от различных факторов включающих температурно-влажностные воздействия, которые значительно изменяют физико-механические характеристики материала.

Автором был поставлен вопрос об оценке развития внутренней поврежденности и ее влияния на эксплуатационные характеристики конструкционных материалов аэродромных покрытий. В основе лежит физико-математическая модель повреждаемости аэродромного покрытия с разработкой практических методов идентификации дефектов и определения остаточного ресурса его жизненного

5

цикла. Развитие механики повреждений, являющимся новым направлением механики деформируемого твердого тела, исследователями предложены различные модели образования дефектов при различных условиях нагружения. Тем не менее, наличие противоречий, связанных с процессом зарождения трещины и обоснованием критериев разрушения, ставит вопрос определения напряженнодеформированного состояния цементобетонных аэродромных покрытий на различных этапах их жизненного цикла для определения их надежности и долговечности. В связи с этим, разработка методики определения остаточного ресурса цементобетонных аэродромных покрытий, связанного со структурным изменением

вбетоне и исследованием общих закономерностей кинетики накопления в них повреждений в условиях многоциклового нагружения становится важным звеном

врешении актуальной задачи определения реального эксплуатационного состояния аэродромных одежд.

Весьма эффективным в этом отношении является анализ сигналов акустической эмиссии (АЭ), сопровождающих деформацию и разрушение бетона. Так, отличительной особенностью эффекта акустической эмиссии, позволяющей обнаруживать отличия в акустическом спектре излучения с процессами связанными с изменением структуры материала.

Объект исследования – монолитные цементобетонные аэродромные покрытия в условиях многоцикловых нагружений.

Предмет исследования – сигналы акустической эмиссии, возникающие в материале монолитных цементобетонных аэродромных покрытий при нагружении, эквивалентном многоцикловому воздействию колесных опор воздушных судов.

Целью работы является разработка методики неразрушающего контроля аэродромных покрытий и определения их стадий разрушения при многоцикловом силовом воздействии воздушных судов на основе анализа сигналов акустоэмиссионного отклика.

Основные задачи работы:

-построить физико-математическая модель формирования упругих волн акустической эмиссии при разрушении микроструктуры цементобетонного материала;

-разработать математическую модель диссипативных процессов (образования трещин), происходящих при гармоническом возбуждении звуковыми волнами упругих, насыщенных газом пористых сред, заданных комплексными числами;

-разработать методику экспериментальных исследований с использованием неразрушающего контроля для определения критериев статической и усталостной прочности цементобетонных образцов при различных режимах нагружения;

-разработать методику проведения измерений и определения напряжен- но-деформированного состояния бетонных образцов с использованием данных акусто-эмиссионного отклика;

-разработать методику неразрушающего контроля аэродромных покрытий и определения их стадий разрушения при многоцикловом силовом воздействии воздушных судов на основе анализа сигналов акусто-эмиссионного отклика.

Научная новизна работы:

-построена физико-математическая модель формирования упругих волн акустической эмиссии при разрушении микроструктуры цементобетонного материала

6

на основе математической теории разрывов, позволяющая своевременно определять эксплуатационную пригодность покрытия, при этом впервые цементобетон рассматривался как двухкомпонентная среда;

-построена математическая модель диссипативных процессов (образование трещин), происходящих при гармоническом возбуждении звуковыми волнами упругих, насыщенных газом пористых сред, заданных комплексными числами. Модель позволяет с более высокой точностью прогнозировать трещиностойкость бетонных материалов;

-разработана методика экспериментальных исследований критериев прочности цементобетона с использованием неразрушающего контроля, которая позволяет находить статическую и усталостную прочность цементобетонных образцов при различных режимах нагружения;

-предложена методика проведения измерений и определения напряжен- но-деформированного состояния цементобетонных образцов с использованием данных акусто-эмиссионного отклика;

-впервые разработана методика определения остаточного ресурса монолитных цементобетонных аэродромных покрытий методом акустической эмиссии.

Достоверность полученных результатов подтверждается соблюдением принципов математического и физического моделирования, теории волновых процессов, теории упругости, достаточным объемом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, определяющих связи между эксплуатационными свойствами материала монолитного цементобетонного аэродромного покрытия и изменением характеристик сигналов акустической эмиссии, адекватностью расчетных и экспериментальных данных. Основные положения представленной работы согласуются с результатами исследований других авторов.

Теоретическая значимость заключается в разработке физикоматематических моделей формирования и распространения упругих волн акустической эмиссии в микроструктуре цементобетонного материала, позволяющих прогнозировать процесс его разрушения. Установлена связь между характеристиками распространения упругих волн и физико-механическими свойствами среды распространения. Выведены зависимости скорости распространения, коэффициента затухания и логарифмического декремента колебаний звуковых волн от таких характеристик бетона, как коэффициент Пуассона, модуль Юнга, пористость, плотность материала.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики определения остаточного ресурса монолитных цементобетонных аэродромных покрытий на различных этапах жизненного цикла методом акустической эмиссии

ирекомендаций по ее практическому применению, которые могут быть использованы при неразрушающей диагностике технико-эксплуатационного состояния жестких покрытий аэродромов, при обследовании аэродромов в ходе их реконструкции и капитального ремонта. Положения диссертации могут быть также использованы в научно-исследовательских институтах, проектных и конструкторских организациях, занимающихся диагностикой материалов, в частности цементобетонных образцов, исследованием возникновения и распространения звуковых полей, акустических волн.

7

На защиту выносятся:

- физико-математическая модель формирования упругих волн акустической эмиссии при разрушении микроструктуры цементобетонного материала с использованием математической теории разрывов;

-математическая модель диссипативных процессов (образования трещин), происходящих при гармоническом возбуждении звуковыми волнами упругих, насыщенных газом пористых сред, заданных комплексными числами;

-методика экспериментальных исследований с использованием неразрушающего контроля статической и усталостной прочности цементобетонных образцов при различных режимах нагружения;

-методика проведения измерений и определения напряженнодеформированного состояния бетонных образцов на основе данных акустоэмиссионного отклика;

-методика определения остаточного ресурса монолитных цементобетонных аэродромных покрытий методом акустической эмиссии;

-алгоритм и методические указания по практическому применению данной методики для контроля эксплуатационного состояния натурных объектов.

Методы исследования.

Экспериментальные исследования проводились с применением механических испытаний, метода акустической эмиссии, метода восстановления параметров АЭ, метода измерения модуля упругости при нагружении и разгрузке. При обработке данных использовался регрессионный анализ и модули вычислительных программ. Теоретическое моделирование проводилось на основе фундаментальных представлений теории волновых процессов, теории упругости и пластичности, с использованием методов решения дифференциальных уравнений.

Внедрение (реализация) научных результатов диссертации. Основные результаты исследований реализованы в отчетных материалах по научноисследовательским работам 2 категории шифр «Акустика» по заказу инженерноаэродромной службы ГК ВВС, научно-исследовательским работам 3 категории шифры «Импульс», «Спектр», «Структура» и учебном процессе кафедры инже- нерно-аэродромного обеспечения Военно-воздушной академии имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина (г. Воронеж) по дисциплине «Метрология, стандартизация, сертификация и контроль качества». Также результаты диссертационных исследований внедрены в технический регламент ЗАО «Лискинский газосиликат» и ОАО «ПК КПД-2».

Апробация работы.

Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на: V всероссийской научно-технической конференции «Проблемы

иперспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, Казанский государственный технический университет имени А.Н. Туполева, 2010); Всероссийской научно-практической конференции (Воронеж, ВАИУ, 2011); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности» (Воронеж, ВИВТ, 2014); Международных научно-практических конференциях «Комплексные проблемы техносферной безопасности» (Воронеж, ВГТУ, 2014, 2015); Всероссийской

8

научной конференции «Градостроительство, инфраструктура, коммуникации» (Воронеж, ВГАСУ, 2014); Всероссийских научно-практических конференциях «Академические Жуковские чтения» (Воронеж, ВУНЦ ВВС «ВВА», 2014, 2015), Межвузовских научно-практических конференциях (Воронеж, ВУНЦ ВВС

«ВВА», 2013, 2014, 2015).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей общим объѐмом 124 страница, из них лично автору принадлежит 70 страниц. Три работы опубликованы в изданиях, включѐнных в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова» и «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура».

Объем и структура диссертации. Работа общим объѐмом 158 страниц машинописного текста состоит из введения, четырѐх глав, заключения, списка литературы из 132 наименований и одного приложения. В текст диссертации включены 8 таблиц и 87 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, показана его научная новизна и практическая значимость для повышения точности оценки остаточного ресурса цементобетонных аэродромных покрытий методом акустической эмиссии.

В первой главе представлен аналитический обзор состояния вопроса, сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе исследована аналитическая интерпретация распространения упругих волн акустической эмиссии в монолитных цементобетонных покрытиях при их нагружении.

Цементобетонное аэродромное покрытие в процессе эксплуатации постоянно подвергается статической и динамической нагрузке при взлете и посадке воздушных судов. Оценку развития внутренней поврежденности и ее влияния на деформационные характеристики композиционных материалов можно определить с помощью построения физико-математических моделей распространения волн при механическом деформировании сред. В физическом смысле цементобетонная среда представляет собой двухкомпонентную насыщенную газом пористую среду.

Распространение волн в неограниченной насыщенной газом однородной упругой пористой среде описывается системой уравнений:

Запишем уравнение (1) в разрывах. Учитывая динамические соотношения, которые возникают на волновой поверхности для двухфазной среды, и условия совместности первого порядка для малых деформаций получим систему уравнений

В насыщенной газом пористой среде распространяется одна поперечная волна.

Распространение, как продольных волн, так и поперечной волны учитывает физические характеристики среды. Используя значения коэффициента Пуассона и модуля Юнга для цементобетона, можно получить скорости распространения волн в цементобетонной пористой среде.

Рассмотрим распространение акустических (звуковых) волн при образовании трещин в цементобетонной конструкции – неограниченной упругой насыщенной газом пористой среде, физико-механические свойства которой заданы комплексными модулями упругости.

Динамическое деформирование среды описывается системой уравнений:

10

1 – масса первой фазы в единице объема среды; 2 – масса второй фазы в единице объема среды; 1 и 2 – величины, характеризующие доли объема смеси, занимаемые каждой фазой 1 2 1, 1 0 , 2 0 .

где C (j ) амплитуды колебания; i координаты единичного вектора в направле-

стики продольных волн. Для этого уравнения (7) умножим на i , просуммируем по

Найдем коэффициент затухания продольной волны и фазовую постоянную. Учитывая, что фазовая постоянная l c l и коэффициенты, характеризующие среду, –

комплексные числа, найдем скорости распространения продольных волн. Введем обозначение 1 1 b 2 b1 2 и выразим R 1 , Q 1 , 1 , 1 через m , R 0 , , Е.

Врезультате получим формулы для определения коэффициентов затухания

искоростей распространения продольных волн.